介紹了一種針對(duì)低功率驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化的 PFC+逆變器 IPM（智能功率模塊）。三相逆變器和單個(gè)升壓 PFC 級(jí)集成在一個(gè)小型 DIL（雙列直插式）傳遞模塑型封裝中，并帶有 SOI（絕緣體上硅）柵極驅(qū)動(dòng)器。使用此 IPM，可以大大減小系統(tǒng)的尺寸和成本
　　概述 新型 IPM 的內(nèi)部電路由逆變器級(jí)和 PFC 級(jí)組成。三相逆變器級(jí)具有六個(gè)額定電壓為 600V 的 TRENCHSTOPTM IGBT 和六個(gè)發(fā)射極控制二極管，以及一個(gè)提供集成自舉電路的 SOI 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 和用于溫度監(jiān)控的熱敏電阻。PFC 級(jí)由一個(gè)額定電壓為 650V 的TRENCHSTOPTM IGBT和一個(gè)具有快速和軟開(kāi)關(guān)特性的快速開(kāi)關(guān)發(fā)射極控制二極管組成（圖 1）?！　?nèi)部電路

　　圖 1：內(nèi)部電路
　　降低成本
　　最小化總成本是系統(tǒng)工程師在開(kāi)發(fā)新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)最重要的考慮因素。不僅 IPM 本身、散熱器和 PCB 等材料成本，而且開(kāi)發(fā)上市時(shí)間也是總成本的主要因素。
　　小型化傳遞模塑封裝（封裝尺寸和結(jié)構(gòu)）　　圖 2 顯示了高集成度 IPM 的封裝輪廓。該 IPM 采用緊湊尺寸的英飛凌科技 CIPOSTM（控制集成電源系統(tǒng)）迷你封裝，尺寸為 21 毫米 x 36 毫米 x 3.1 毫米。新 IPM 已獲得 UL 認(rèn)證（UL 1557 文件 E314539），并符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)。

　　外觀
　　圖 2：外部視圖　　采用具有良好導(dǎo)熱性的DCB（直接銅鍵合）基板作為高熱性能基板。圖 3 顯示了新 IPM 的橫截面圖。所有主要熱源（如 IGBT 和二極管）都安裝在 DCB 上，以充分利用此封裝的傳熱能力。因此，即使封裝尺寸非常緊湊，新 IPM 也可以成為高達(dá) 3kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的絕佳解決方案 [1]。

　　橫截面視圖
　　圖 3：橫截面視圖
　　散熱器和 PCB 尺寸
　　所有功率半導(dǎo)體元件（即橋式整流器、用于 PFC 的分立 IGBT、分立升壓二極管和用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 IPM）通常都安裝在一個(gè)散熱器上，以便散熱。圖 4 顯示了通過(guò)將分立功率半導(dǎo)體和驅(qū)動(dòng)器集成到一個(gè)封裝中，可以減少 PCB 和散熱器的尺寸，并簡(jiǎn)化組裝過(guò)程 [2]。　　分離式 PFC 和逆變器 IPM 解決方案 全新 IPM 解決方案

　　4a：分立式 PFC 和逆變器 IPM 解決方案

　　4b：全新 IPM 解決方案
　　發(fā)展速度加快
　　在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，電路設(shè)計(jì)、圖稿和 PCB 組裝需要花費(fèi)大量時(shí)間（參考板，圖 5 和 6）。為了減少此過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間，并快速確定新 IPM 是否可以運(yùn)行電機(jī)，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)參考板。運(yùn)行電機(jī)所需的最小外圍設(shè)備安裝在板上，其他外圍設(shè)備（如 PWM 信號(hào)、+5/+15V 直流電源、PFC 電感器、DC 鏈路電解電容器）可通過(guò)與參考板的電線連接從板外使用。
　　額定電壓為 650V 的 PFC 級(jí)
　　英飛凌科技根據(jù)其 PFC IGBT 特性開(kāi)發(fā)了兩種產(chǎn)品。它們是用于 20kHz 開(kāi)關(guān)頻率的 High Speed 3 (HS3) 和用于 40kHz 開(kāi)關(guān)頻率的 TRENCHSTOPTM 5 (TS5)，如表 1 所列。英飛凌的快速發(fā)射極控制二極管經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可與 TRENCHSTOPTM IGBT 一起用作 PFC 拓?fù)渲械纳龎憾O管。它結(jié)合了低 VF 以降低傳導(dǎo)損耗和低 Irr 以降低 IGBT 的 Eon [3]。所有功率器件的額定電壓均為 650V，并且它針對(duì)不穩(wěn)定的交流電網(wǎng)提供了更高的可靠性和耐用性 [4]。

　
　　圖 5b：參考板結(jié)構(gòu)背面　　參考板應(yīng)用示例

　　圖6：參考板應(yīng)用示例

　　逆變級(jí)特點(diǎn)
　　逆變器級(jí)具有多種功能，可確保逆變器的安全運(yùn)行。這些功能可通過(guò)堅(jiān)固的 SOI 柵極驅(qū)動(dòng)器和熱敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　VBS=15V 時(shí)允許信號(hào)傳輸?shù)呢?fù) VS 電位最高可達(dá) -11V
　　集成引導(dǎo)功能
　　所有通道均欠壓鎖定
　　預(yù)防交叉?zhèn)鲗?dǎo)
　　保護(hù)期間所有 6 個(gè)開(kāi)關(guān)均關(guān)閉
　　過(guò)流關(guān)斷
　　溫度監(jiān)控器
　　過(guò)流保護(hù)
　　新型 IPM 監(jiān)控 ITRIP 引腳電壓，當(dāng)電壓超過(guò) VIT、TH+（正向閾值電壓）時(shí)，將激活故障信號(hào)，并關(guān)閉所有 6 個(gè) IGBT。最大過(guò)流跳閘水平通常設(shè)置為額定集電極電流的 2 倍以下 [5]。　　過(guò)流保護(hù)時(shí)序圖

　　圖7：過(guò)流保護(hù)時(shí)序圖
　　過(guò)溫保護(hù)　　為了實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)，該 IPM 中集成了一個(gè)熱敏電阻。25°C 時(shí)電阻通常為 85kΩ，100°C 時(shí)電阻通常為 5.4kΩ（圖 8）。

　　熱敏電阻阻值與溫度　　圖 8：熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系

　　如圖 9 所示，VFO 引腳直接連接到微控制器的 ADC 和故障檢測(cè)端子，因?yàn)闊崦綦娮枧c具有開(kāi)漏配置的故障輸出端子并聯(lián)。例如，當(dāng)上拉電阻 R1 為 3.6kΩ 時(shí)，VFO 電壓在約 100°C 時(shí)為 2.95Vtyp。Vcrt=5V 時(shí)，Vcrt=3.3V 時(shí)為 1.95V，如圖 10 所示。
　　熱評(píng)估
　　圖 11 是測(cè)試電路和測(cè)量波形，顯示了測(cè)試系統(tǒng)在輸入功率為 2kW 時(shí)評(píng)估熱性能的運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行條件為 PFC 控制器 = ICE2PCS05G、輸入功率 PIN = 2kW、交流輸入電壓 VIN = 220V/60Hz、直流母線電壓 VDC = 400V、逆變器開(kāi)關(guān)頻率 = 5kHz、PFC 開(kāi)關(guān)頻率 = 20kHz、RL 負(fù)載（R = 13.75Ω、L = 2.96mH、功率因數(shù) = 0.99）、MI = 0.69、柵極電阻 Rg = 5.1Ω、環(huán)境溫度 Ta = 25°C。被測(cè)設(shè)備為 IFCM15S60GD。輸入功率因數(shù)約為 0.995，THD 約為 9.78%。　　過(guò)溫保護(hù)電路

　　圖9：過(guò)溫保護(hù)電路　　VFO 電壓與溫度

　　圖 10：VFO 電壓與溫度
　　新型IPM的測(cè)試電路及波形，測(cè)試電路　　圖 11a：新型 IPM 的測(cè)試電路和波形，測(cè)試電路

　　新型IPM的測(cè)試電路及波形

　　圖11b：新型IPM的測(cè)試電路和波形，波形　　PFC IGBT位置的外殼溫度最高點(diǎn)約為67.5°C，高于逆變器部分的外殼溫度。IFCM15S60GD足以應(yīng)對(duì)2kW以上的功率。

　　新型IPM（IFCM15S60GD）的溫度測(cè)量點(diǎn)和測(cè)試結(jié)果，溫度測(cè)量點(diǎn)
　　圖 12a：新型 IPM（IFCM15S60GD）的溫度測(cè)量點(diǎn)和測(cè)試結(jié)果，溫度測(cè)量點(diǎn)　　新型IPM（IFCM15S60GD）的溫度測(cè)量點(diǎn)及測(cè)試結(jié)果、溫度圖

　　圖12b：新型IPM（IFCM15S60GD）的溫度測(cè)量點(diǎn)和測(cè)試結(jié)果，溫度圖